MODULE C01 Climatologie et Hydrologie

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1 MODULE C01 Climatologie et Hydrologie - Cours jeudi de 14 à 16h (Amphi I) - 3 groupes de travaux dirigés (démarrage la semaine prochaine) - Intervenants : R. Barbero & V. Moron - Pour toute demande relative à ce cours, vous devez m envoyer un obligatoirement avec l en-tête «CO1 :» à [email protected] - Les cours sont en accès libre chaque jeudi soir sur le site de l UFR - Modalités du contrôle des connaissances - première session ; contrôle continu = 50% et contrôle final (dissertation de 3 heures) = 50%. Le contrôle continu se décompose en un examen de mi-semestre (= 35%) en amphi (03/11) et des exercices en cours/td (= 15%) - seconde session et dispensés du CC ; contrôle final = 100% - optionnaires ; cours n 1-6 (2 x 6 = 12h) et 9 premiers TDs (3 x 9 = 27h)

2 Objectifs du module C01 - Apprendre les bases de la répartition spatiale et des variations temporelles (au cours de l année principalement) des principales variables climatiques (températures, précipitations, vents etc.) et leurs facteurs explicatifs - D abord décrire les phénomènes en les hiérarchisant (notion d échelle spatiale) - puis les expliquer en conservant la hiérarchie descriptive. - Les facteurs explicatifs sont en nombre restreint : par exemple, - le rayonnement solaire absorbé - la géométrie et la géographie terrestre (répartition des continents, forme des bassins océaniques, contraste terre-mer etc.) - les reliefs terrestres - toutes les interactions entre les éléments du système climatique (par exemple, le champ des températures détermine en partie la circulation de l air et de l eau, qui à son tour influence le champ des températures)

3 Articulation cours/td - Cours : bases générales avec examen des principaux éléments (géographie des températures, précipitations et de leur principaux facteurs explicatifs). L échelle spatiale privilégiée est planétaire et zonale. - TD : examen détaillé de la géographie des variables climatiques et surtout exploration des mécanismes précis. Une calculatrice est utile en TD. Plan général du cours Introduction Les températures Les précipitations et le cycle de l eau La circulation atmosphérique et océanique Les climats Exemples de climat à l échelle régionale Conclusion 1

4 Le climat : qu est que c est? 1 Klima = inclinaison. Cela fait référence au premier facteur explicatif de la géographie des climats : le rayonnement solaire et notamment son inclinaison (= incidence) sur la surface terrestre. - climat = temps qu il fait et temps qui passe. Théoriquement, le climat d un espace repose sur la moyenne au moins trentenaire des conditions atmosphériques définies par les températures, les précipitations, la pression atmosphérique, le vent etc - contrairement au temps météorologique qui est directement sensible, le climat est une notion relativement abstraite. Cependant, nous intégrons de fait le climat (15 C nous paraît très frais en juillet et très chaud en janvier ) et l ensemble du monde végétal s adapte aux conditions météorologiques sur le long-terme, c est-à-dire le climat. Par ailleurs, le temps météorologique et le climat répondent aux mêmes règles physiques -

5 Les conditions météorologiques hier vers 13h TU - Températures plutôt chaudes pour la saison au sud (jusqu'à +32 C en Provence) - Températures plus conforme à la saison du SW au 2/3 nord de la France (+16 C en Bretagne, en Lorraine, dans le Morvan) - Quel est le contexte météorologique à plus vaste échelle? ( 1

6 Le temps météorologique d'hier = une expression du climat d un automne européen «normal» 1 un anticyclone protège une bonne partie de l'europe au sud de 50 N et les perturbations tempérées sont rejetées sur une route assez septentrionale du centre de l'atlantique Nord vers la Scandinavie, même si des nuages passent au-dessus du nord de la France (ce qui y diminue l'apport radiatif)

7 Qu'est ce qui expliquent les conditions météorologiques d'hier (temps clair et chaud, peu de vent) en Provence? 1 Mélange de plusieurs facteurs agissant à différentes échelles spatiales et temporelles - le contexte saisonnier (facteur de l'échelle planétaire et variation temporelle lente) et notre position en latitude (43 30', facteur planétaire et fixe). Nous sommes juste avant l'équinoxe d'automne (nuit de longueur égale au jour sur toute la terre et soleil à 90 au-dessus de l'horizon à 12h locales à l'équateur) = la température baisse plus ou moins rapidement depuis l'été (de moins en moins de rayonnement solaire disponible) et elle baisse aussi en moyenne vers le nord (le soleil est de moins en moins haut dans le ciel en allant vers le nord dans l'hémisphère nord) - les conditions atmosphériques transitoires qui changent plus ou moins vite. Depuis plusieurs jours, nous connaissons des conditions anticycloniques (ciel clair avec fort apport solaire + subsidence qui comprime l'air vers la surface) + un flux faible provenant du sud (apport de chaleur par la circulation de l'air) = temps sec et plutôt chaud. - En résumé, les conditions météorologiques instantanées s'inscrivent dans une suite de mécanismes imbriqués les uns dans les autres dont certains sont fixes (par exemple la position géographique) d'autres lents (le cycle annuel du rayonnement solaire), et d'autres encore plus rapides (la circulation atmosphérique).

8 Le climat = intégration temporelle des conditions météorologiques instantanées 1 - le temps peut changer radicalement d'ici une à deux semaines - l'an passé, à la même date, le temps était différent et l'an prochain, on peut imaginer qu'il sera aussi différent... - cependant, la température a peu de chances d'être > 35 C ou < 5 C - si on considère l'ensemble des conditions de septembre-octobre depuis une trentaine d'années, on aura une idée du climat automnal en Provence = températures intermédiaires entre été et hiver + maximum annuel des précipitations. - de façon plus générale, le climat provençal est caractérisé par exemple par la sécheresse estivale typique du climat méditerranéen. Cet élément climatique est déterminant dans la végétation naturelle par exemple. - A une échelle spatiale plus vaste, le climat de l'europe de l'ouest est par exemple caractérisé par une alternance saisonnière des températures, des précipitations annuelles généralement comprises entre 500 et 2000 mm, etc. Ainsi, le climat intègre l'ensemble des conditions météorologiques instantanées sur une longue période (en théorie 30 années de données nécessaire pour définir un climat), ces conditions étant dictées par des mécanismes physiques agissant à plusieurs échelles spatiales et temporelles Malgré son caractère statistique, le climat participe de notre environnement ou notre «cadre naturel» et de nombreux éléments sont fortement marqués par les conditions climatiques (par exemple la végétation naturelle)

9 LES ECHELLES SPATIALES EN CLIMATOLOGIE 1 NORD FUSEAU REGION DOMAINE ZONE SUD GLOBE OUEST EST

10 LES GRANDES ZONES CLIMATIQUES Pôle Nord 90 N SENS STRICT définition astronomique N Cercle polaire Arctique 1 ZONE POLAIRE 60 N ZONE DES LATITUDES MOYENNES 30 N Tropique du Cancer N ZONE INTER-TROPICALE S SENS LARGE définition climatique EQUATEUR Tropique du Capricorne 30 S ZONE DES LATITUDES MOYENNES 60 S S Cercle polaire Antarctique Pôle Sud 90 S ZONE POLAIRE

11 Plan général de la partie 2 : les températures Définition et signification Température : moyenne annuelle Température : cycle annuel Température et altitude Synthèse 2

12 Température : définition et signification mesure par rapport à une échelle - Celsius ( C) ou centigrade ; 0 C = congélation de l eau au niveau de la mer et 100 C = ébullition de l eau au niveau de la mer - Fahrenheit ( F) ; 32 F = 0 C, 100 F = 38 C - Kelvin (K) ; 0K= C : zéro absolu (pas de températures Kelvin négatives) K = 0 C K = 15 C K = 100 C donc T(K) = T( C) et T( C)=T(K) zéro absolu? - limite thermique infranchissable universelle - niveau où tous les atomes sont immobiles à l échelle microscopique - les températures reflètent donc aussi une notion énergétique (= énergie cinétique interne ou énergie thermique) et indiquent la quantité de chaleur au sein du système climatique - À 2 m (et sous abri), les températures observées sur terre varient dans l absolu entre 90 C (Antarctique central) à près de +60 C (déserts tropicaux). En France, les records s établissent à 33 C (Langres en décembre 1879 ; T. moyenne mensuelle à Paris = -7.9 C) et +44 C (Toulouse en 1923). Cette valeur a sans doute été dépassée dans le Gard (Conqueyrac, C) en août 2003

13 Température : définition et signification 2.1 La chaleur est transportée/échangée par 4 mécanismes physiques distincts (détaillés en travaux dirigés), qui sont susceptibles de faire varier la température à un endroit et à un moment donnés : UV IR Longueur d'onde et quantité totale de rayonnement émis sont proportionnelles à la température de l'émetteur nm = nanomètre = 10 9 mètre visible (wikipedia) (1) rayonnement : propagation d ondes électro-magnétiques à la vitesse de la lumière dans le vide : n'importe quel objet > 0K émet du rayonnement électromagnétique. Notre oeil s'est adapté au rayonnement solaire («visible») mais la terre, l'air, nous-mêmes émettons aussi du rayonnement dans l'infra-rouge (invisible)

14 Température : définition et signification 2.1 (2) conduction : transfert de chaleur «sensible» du + chaud vers le chaud par contact moléculaire (peu efficace dans le système climatique) (chaud) (froid) Conductibilité thermique relative par rapport à celle du cuivre (= 1) : granite = , eau = , air = (3) convection : transfert de chaleur du + chaud vers le - chaud par mouvement vertical et horizontal (= advection) en relation avec les gradients de densité (de l air/eau chaud est moins dense que de l air/eau froid). Ce mécanisme beaucoup plus efficace que la conduction au sein du système climatique n est possible que dans les fluides (océan et atmosphère) et correspond donc à la circulation verticale/horizontale de l air et de l eau

15 Température : définition et signification 2.1 (4) changement d état de l eau : en fournissant de l'énergie thermique à un corps, on peut le faire changer d'état : l eau existe sous 3 états (solide, liquide, gaz) et le changement de l un à l autre absorbe ou libère de la chaleur (les changements du solide vers le gazeux absorbe de la chaleur et les changements du gazeux vers le solide en libère). B: lieu de la condensation (du gaz au liquide) liée en général au refroidissement de l'air et qui libère la chaleur «latente» transportée par la vapeur d'eau Ce mécanisme combinant changement d'état de l'eau et convection/advection transporte de la chaleur «latente» de A vers B, la quantité étant proportionnelle à la quantité de vapeur d'eau condensée A: lieu de l'évaporation (du liquide vers le gaz) qui nécessite un apport de chaleur et de l'eau disponible

16 2.1 Température : définition et signification La température reflète la quantité d'énergie thermique. Qu'est ce qui alimente l'énergie thermique? ou bien qu'est-ce qui fait qu'il fait «chaud» à un moment donné et à un endroit précis? Soleil haut dans le ciel avec une incidence (= angle avec la surface) élevée Un apport horizontal (= advection) de chaleur par le vent depuis une région plus chaude Un mouvement vertical atmosphérique vers le bas, ce qui entraîne une compression (qui réchauffe un gaz) Surface chaude qui va émettre beaucoup de rayonnement infrarouge et de la chaleur «sensible» (= conduction) Une atmosphère humide (la vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre qui absorbe bien le rayonnement infrarouge)

17 Température : moyenne annuelle géographie zonale de part et d autre d une région tropicale (au sens large ; 30 N30 S) assez uniformément chaude > 25 C - la zonalité est particulièrement nette dans l'hémisphère sud - l'antarctique est nettement plus froid que l'arctique - dissymétries dans le détail : régions anormalement froides (ex. Tibet), remontée des isothermes vers le nord vers l'est du Pacifique et de l'atlantique Nord etc.

18 Température : moyenne annuelle 2.2 Trois causes fondamentales aux dissymétries ; (1) le relief (par ex. Himalaya, Andes, Ethiopie plus froids que leur environnement) (2) la continentalité (par ex. Antarctique Est plus froid que l' Antarctique Ouest plus bas et plus «océanique») (3) le rôle de la circulation atmosphérique et océanique (par ex. Atlantique Nord-Est et Europe plus chaud que le Québec et la Baie d'hudson ou la Sibérie en raison de la circulation majoritairement d'ouest + rôle des courants marins)

19 2.2 Température : moyenne annuelle RS incident au sommet de l'atmosphère Un facteur ultra-dominant explique en grande partie la géographie des températures : le rayonnement solaire RS incident en surface RS absorbé en surface - Incident au sommet = 324 W/m2, soit le ¼ de la constante solaire (1367 W/m2), qui est le rayonnement solaire intercepté par le disque terrestre (= 100 unités) : effet de la géométrie terrestre et de la projection associée des rayons solaires sur une surface de plus en plus grande en montant en latitude (1) - Incident en surface = 60 unités (20 unités absorbées et 20 unités reflétées par l'atmosphère) : (1) + filtrage atmosphérique et nuages (très abondants le long de l'équateur et aux latitudes sub-polaires de l'hémisphère sud) (2) - Absorbé en surface = 50 unités (10 unités reflétées par la surface) : (1)+(2) + réflectance de la surface (très importante au-dessus de la glace et très faible au-dessus des océans)

20 Température : moyenne annuelle géographie zonale (moyenne de la carte = 170 W/m2) - un facteur ultra-dominant : la géométrie terrestre = rayons solaires de plus en plus inclinés en moyenne au fur et à mesure qu on monte en latitude = la même quantité d énergie est répartie sur une surface de plus en plus grande (effet de projection) et l épaisseur atmosphérique à traverser croît (effet de filtrage) - des facteurs secondaires: couverture nuageuse (les nuages reflètent bien le rayonnement solaire), nature de la surface terrestre (l eau absorbe plus de rayonnement solaire que les continents, notamment ceux enneigés), etc.

21 Exemple de questions en 10 minutes 1. La convection est plus efficace que la conduction pour transférer la chaleur au sein du système climatique : V/F? 1. vrai 2. Quelles sont les latitudes les plus froides de la terre? 2. Pôle sud (ou 90 S) 3. Quelle est la valeur de la constante solaire (à 10% près) en W/m 2? Quel est le principal facteur explicatif de la géographie des températures moyennes annuelles? 4. la rotondité de la terre 5. La terre (surface et atmosphère) absorbe 70% du rayonnement solaire 5. vrai incident : V/F? 6. Quel est le principal réflecteur du rayonnement solaire à la surface 6. neige (ou glace) terrestre? 7. A combien correspond une température de +15 C en degrés Kelvin? K (273+15) 8. Quelles sont les latitudes délimitant la zone tropicale au sens large? N-30 S 9. Quelle est la latitude du cercle polaire nord? 'N 10. Qu'est ce qu'une zone climatique? 10. une bande de latitudes autour de la terre